JP2017106078A - 真空バルブ用接点材料、その製造方法、この接点材料を有する接点ならびに真空バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐電圧特性を有する真空バルブ用接点材料、その製造方法、真空バルブ用接点ならびこれを搭載した真空バルブを提供する。
【解決手段】Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって表面が覆われてなることを特徴とする真空バルブ用接点材料、その製造方法、真空バルブ用これを搭載した真空バルブ。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、真空バルブ用接点材料およびこれを用いた真空バルブに関わり、より具体的には、優れた耐電圧特性を有する真空バルブ用接点材料、その製造方法、真空バルブ用接点ならびこれを搭載した真空バルブに関わる。

真空バルブ用接点材料としては、例えば、導電成分であるＣｕやＡｇに、用途に応じた種々の成分が複合化された材料が従来提案されている。特に、耐電圧特性および大電流遮断特性を有する接点材料としては、Ｃｕ−Ｃｒ合金が一般に使用されている。

この接点材料は、Ｃｒの複合化により優れた遮断性能を発揮し、Ｃｒ２５〜３５ｗｔ％付近まではＣｒの複合量増大に伴い遮断性能、耐電圧性能ともに向上する傾向があるが、さらにＣｒ複合量を増大させると遮断性能は低下する傾向にある。また、一般的にＣｒ複合量の増大は接触抵抗も増大させる傾向がある。

機器の使用環境の変化やコンパクト化に伴い、開閉機器には、より高電界の環境下での使用が求められている。特に真空バルブ用接点材料が搭載される真空開閉機器に関しては、環境調和の観点から、より高電圧の領域への適用が望まれ、真空バルブの耐電圧性能の向上が期待されている。

真空バルブの接点間の絶縁破壊は、一般に接点表面からの電子放出および粒子の離脱によって引き起こされると理解されている。電子放出は、接点表面の形状と組成あるいは相構成に依存するところが大きく、粒子離脱は接点表面の機械的性質によるため、組織的な因子が関わっていると考えられている。

前述したように、Ｃｕ−Ｃｒ系接点材料では、Ｃｒ２５〜３５ｗｔ％近傍で遮断性能が最も良好となるため、この組成の近傍で使用される場合が多く、このため、Ｃｒ２５〜３５ｗｔ％近傍の組成において、ＣｕＣｒ合金の組織改善による耐電圧性能の向上が図られてきた。

特許第２６９５９０２号公報では、ＣｕＣｒ接点の表面にＣｕマトリックス中に微細なＣｒ粒子が分散した表面層を形成した接点材料が示されている。このようなＣｕＣｒ接点材料の組織の微細化は、接点表面硬さを高め、開閉による損傷を軽減することで接点表面からの粒子の離脱による絶縁破壊を抑制する。

しかしながら、一般的にＣｕとＣｒは固相状態においては互いに固溶する組成範囲が極めて少なく、化合物も形成しないため、従来のＣｕ−Ｃｒ系接点材料においては、接点材料組織の相構成は、組織の微細性に関わらず、常に僅かにＣｕを含むＣｒ分散相と、僅かにＣｒを含むＣｕマトリックス相の二層状態である。従って、接点材料の耐電圧特性を電子放出の観点から改善しようとする試みは、本発明者らが知る限りではこれまで全く無かった。

特許第２６９５９０２号公報

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、優れた耐電圧特性を有する真空バルブ用接点材料、その製造方法、真空バルブ用接点ならびこれを搭載した真空バルブを提供することである。

本発明者らは、上記課題に対して鋭意研究を重ねた結果、ＣｕＣｒ電極の極表面に電子放出し難い相を形成することが課題解決に有効であることを見出した。

本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって、表面が覆われてなること、を特徴とする。

また、本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料の製造方法は、Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって表面が覆われてなる真空バルブ用接点材料を製造する方法であって、
前記の過飽和固溶体を、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒの両者を固化させることによって形成すること、を特徴とする。

また、本発明の実施形態による真空バルブ用接点は、Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体を、接点の極表面に有すること、を特徴とする。

そして、本発明の実施形態による真空バルブは、上記の真空バルブ用接点を具備すること、を特徴とするものである。

本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、Ｃｕを主成分とし、少なくともＣｒを過飽和に固溶している過飽和固溶体を表面に有することから、優れた耐電圧性能を発揮することができ、高耐電圧領域で使用される真空バルブ用の接点材料に適している。

実施例１による真空バルブ用接点材料の概要を示す断面図。 実施例２による真空バルブ用接点材料の概要を示す断面図。 比較例１による接点材料の概要を示す断面図。 比較例２による接点材料の概要を示す断面図。 過飽和固溶体の形成に適した真空容器ならびに本発明の実施形態による真空バルブの概要を示す断面図。

＜真空バルブ用接点材料＞
本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって、表面が覆われてなること、を特徴とするものである。

ここで、「Ｃｕを過飽和に固溶している過飽和固溶体」とは、「平衡溶解度以上にＣｕを固溶している固溶体」を意味する。特に、「固溶体」とは、「２種以上の元素によって形成される均一な固体の結晶質の相」（ＪＩＳ Ｇ２０１：２０００ １３１１）を意味する。このような「固溶体」は、Ｃｒ原子のつくる結晶格子の中にＣｕ原子が溶け込んで、両原子が混合して一つの相を作っているものと捉えることが出来る。

<<過飽和固溶体>>
本発明の実施形態における上記に「過飽和固溶体」の好ましい一具体例としては、Ｃｒを２５〜６５原子％、特に好ましくは３５〜６０原子％、含有し、Ｃｕを３５〜７５原子％、好ましくはＣｕを４０〜６５原子％、を含んでなるものを挙げることができる。

この「過飽和固溶体」は、Ｃｒと、このＣｒに固溶したＣｕに加えて、さらに、好ましくは、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または２種以上の元素を含むことができる。特に好ましくは、Ｖおよび（または）Ｎｂの元素を含むことができる。なお、これらのＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または２種以上の元素は、前記の「Ｃｕを過飽和に固溶している過飽和固溶体」の中に、過飽和に固溶されている場合がある。

ここで、「過飽和固溶体」を構成している各元素（例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ）の存在の有無およびその存在量は、例えば、化学分析または表面分析によって確認することができ、そして、「固溶体」であることは、例えば、走査透過電子顕微鏡によって確認することができる。

過飽和固溶体中にＶが存在する場合、Ｖの存在量は、好ましくは０．１〜２０原子％、特に好ましくは１０〜１５原子％、である。Ｔａが存在する場合、Ｔａ存在量は、好ましくは０．１〜２原子％、特に好ましくは０．５〜１．５原子％、である。Ｎｂ存在する場合、Ｎｂの存在量は、好ましくは０．１〜１５原子％、特に好ましくは３〜８原子％、である。Ｍｏが存在する場合、Ｍｏの存在量は、好ましくは０．１〜２原子％、特に好ましくは０．５〜１．５原子％、である。

なお、この「過飽和固溶体」が、「Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料」（詳細後記）に由来するものである場合（例えば、「過飽和固溶体」が「Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料」から形成されたものである場合）、過飽和固溶体中に存在する元素（Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ）の種類および存在量は、複合材料中に存在する元素の種類および存在量と関連することがある。

本発明の実施形態における上記の「過飽和固溶体」は、「体心立方構造」の結晶構造を有している。このことによって、耐電圧性能を向上させることができる。ここで、「体心立方構造」は、具体的には、例えば、透過電子顕微鏡等によって電子線回折像を得ることによって確認することができる。なお、過飽和固溶体のうち「体心立方構造」が占める割合は、好ましくは８０体積％以上、特に好ましくは９５体積％以上、である。

一般的に、Ｃｕ−Ｃｒを構成する原子の電子放出特性としては、面心立方構造のＣｕに比べて体心立方構造のＣｒの方が仕事関数が高く、より電子放出しにくい傾向が認められる。そこで、この体心立方構造のＣｒにＣｕを固溶させることで、電子放出しにくく耐電圧性能に優れたＣｕ−Ｃｒ合金を創生することができる。また、一般的に、Ｃｕ−Ｃｒ合金の仕事関数は、Ｃｒ原子がクラスターまたはＣｒ原子が多数を占める相を形成する場合と、Ｃｒ原子をＣｕ原子が多数を占める相の中に固溶して存在させる場合とでは異なり、後者の方が仕事関数が高くなる。これは、Ｃｒ原子に他のＣｒ原子が多く隣接した状態と、Ｃｕ原子が多く隣接した状態とではスピンの状態が異なることによるものと理解されている。

このように、Ｃｕ−Ｃｒ合金系においては、体心立方構造を有し、ＣｕをＣｒ中に過飽和に固溶させた状態が最も高い仕事関数を有し、優れた耐電圧性能を発揮することができる状態であるといえる。

上述した過飽和体からなる表面層の形成は、従来から行われてきたアーク溶解、真空溶解といった急冷凝固や電子ビーム、レーザー照射といった液相領域まで急熱急冷することによる表面微細組織層の形成法のみでは成し得ない。これらの液相が介在する方法は、例外なく、いずれもＣｕを主成分とする固溶体とＣｒを主成分とする固溶体の二相に分離するからである。本発明の実施形態における所定の過飽和固溶体は、ＣｕとＣｒを一旦気相とし、再凝縮させることによってはじめて形成させることができる。

＜真空バルブ用接点材料（具体例）＞
本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、前記の所定の「過飽和固溶体」によって、表面が覆われて被覆されてなるものである。従って、本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、（イ）その全てが所定の「過飽和固溶体」のみから構成されているもの、ならびに（ロ）所定の「過飽和固溶体」と、真空バルブ用接点材料を構成する「他の材料ないし資材」とを具備してなり、この「過飽和固溶体」によって表面が覆われてなるもの、等が包含される。ここで、「他の材料ないし資材」の特に好ましい具体例としては、好ましくは、例えば、「Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料」（詳細後記）を挙げることができる。

したがって、本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、好ましい態様として、前記の過飽和固溶体と、Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料とを具備してなり、この「過飽和固溶体」によって表面が覆われてなるものが包含される。

特に好適な真空バルブ用接点材料の具体例としては、例えは図１および図２に示されるものを挙げることができる。

図１に示される真空バルブ用接点材料１は、「過飽和固溶体３」と「Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料２０」とを具備してなり、この「過飽和固溶体２０」によって表面が覆われてなる空バルブ用接点材料１である。

図１の具体例において、真空バルブ用接点材料１、複合材料２０および過飽和固溶体３のそれぞれの厚さは、真空バルブ用接点材料１の具体的用途、目的、耐久性等を考慮して適宜定めることができる。例えば２４ｋＶ級の真空バルブに特に好適な真空バルブ用接点材料としては、真空バルブ用接点材料１の厚さおよびこれとほぼ同じ厚さの複合材料２０の厚さは、好ましくは２〜５ｍｍ、特に好ましくは２〜３ｍｍであり、過飽和固溶体３の厚さが、好ましくは０．１〜０．５μｍ、特に好ましくは０．２〜０．４μｍでありのものである。なお、各材料の厚さは、真空バルブ用接点材料１の全部分にわたって均一である場合および部分的に異なる場合がある。

図２に示される真空バルブ用接点材料１は、「過飽和固溶体３」と「Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料２０」とを具備してなり、この「複合材料２０の表層部２００が「Ｃｕ相２０１およびＣｒ相２０２を含んでなるもの」である。

図２の具体例において、真空バルブ用接点材料１、複合材料２０、その表層部２００、および過飽和固溶体３のそれぞれの厚さは、真空バルブ用接点材料１の具体的用途、目的、耐久性等を考慮して適宜定めることができる。例えば２４ｋＶ級のバルブに特に好適な真空バルブ用接点材料としては、真空バルブ用接点材料１の厚さおよびこれとほぼ同じ厚さの複合材料２０の厚さが、好ましくは２〜５ｍｍ、特に好ましくは２〜３ｍｍであり、その表層部２００の厚さが、好ましくは５〜１００μｍ、特に好ましくは２０〜５０μｍであり、過飽和固溶体３の厚さが、好ましくは０．１〜０．５μｍ、特に好ましくは０．２〜０．４μｍのものである。各材料の厚さは、真空バルブ用接点材料１の全部分にわたって均一である場合および部分的に異なる場合がある。なお、複合材料２０の表層部２００の領域と、複合材料２０の表層部２００以外の領域とは分散層の平均粒径または平均幅が明確に異なり、そして、表層部２００の領域と、複合材料２０の表層部２００以外の領域とは、例えば断面組織の走査型電子顕微鏡を用いた観察によって識別することができる。

本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、図１および図２に具体的に示される物も含め、ＣｒがＣｕを主成分とする相の中に固溶して存在した過飽和固溶体であって、特にこの過飽和固溶体が体心立方構造を有していて、極めて高い仕事関数を有していることから、優れた耐電圧性能を発揮することができる。

<<複合材料>>
本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料１における複合材料２０としては、好ましくは、図１に示されるような、「Ｃｕを含有するマトリクス相２１を、好ましくは３５〜７５原子％、特に好ましくは５５〜７２原子％、含み、Ｃｒを含有する分散相２２を、好ましくは２５〜６５原子％、特に好ましくは２８〜４５原子％、含んでなる複合材料２０」を挙げることができる。この分散相２２は、平均粒径または平均幅が、好ましくは５〜２００μｍ、特に好ましくは１０〜５０μｍ、の範囲内のものである。ここで、「平均粒径」は、原料Ｃｒ粉末の粒度分布測定によって定められるものであり、「平均幅」は、断面組織の光学顕微鏡観察によって求められたものである。

この複合材料２０のマトリクス相２１中に含まれるＣｒ以外の元素をとしては、例えばＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または二種以上の元素を挙げることができる。これらの元素の存在量は、好ましくは０．００１〜１原子％、特に好ましくは０．００１〜０．０１原子％、である。

一方、複合材料２０の分散相２２中に含まれるＣｒ以外の元素をとしては、例えばＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または二種以上の元素を挙げることができる。Ｖが存在する場合、Ｖの存在量は、好ましくは０．１〜２０原子％、特に好ましくは１０〜１５原子％、である。Ｔａが存在する場合、Ｔａ存在量は、好ましくは０．１〜２原子％、特に好ましくは０．５〜１．５原子％、である。Ｎｂ存在する場合、Ｎｂの存在量は、好ましくは０．１〜１５原子％、特に好ましくは３〜８原子％、である。Ｍｏが存在する場合、Ｍｏの存在量は、好ましくは０．１〜２原子％、特に好ましくは０．５〜１．５原子％、である。

また、本発明の別の実施形態による真空バルブ用接点材料１における複合材料２０としては、好ましくは、図２に示されるような、「Ｃｕを含有するマトリクス相２１を、好ましくは３５〜７５原子％、特に好ましくは５５〜７２原子％、含み、Ｃｒを含有する分散相２２を、好ましくは２５〜６５原子％、特に好ましくは２８〜４５原子％、含んでなる複合材料２０」であって、この「複合材料２０」の表層部２００が、「Ｃｕを含有するマトリクス相を、好ましくは３５〜７５原子％、特に好ましくは５５〜７２原子％、含み、Ｃｒを含有する分散相２２を、好ましくは２５〜６５原子％、特に好ましくは２８〜４５原子％、含んでなるもの」を挙げることができる。

表層部２００における分散相２０２は、平均粒径または平均幅が好ましくは０．０１〜１．０μｍ、特に好ましくは０．０１〜０．３μｍ、の範囲内のものである。ここで、「平均粒径」および「平均幅」は、例えば透過電子顕微鏡観察によって求められたものである。表層部２００における分散相２０２の平均粒径または平均幅は、複合材料２０の分散相２１のそれよりも小さい。なお、図２に示される好ましい具体例において、分散相２２の平均粒径または平均幅、ならびにその内容は、図１に示される好ましい具体例とほぼ同様である。

表層部２００のマトリクス相２０１中に含まれるＣｕ以外の元素をとしては、例えばＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または二種以上の元素を挙げることができる。これらの元素の存在量は、好ましくは０．００１〜１原子％、特に好ましくは０．００１〜０．０１原子％、である。

一方、複合材料２０の分散相２２中に含まれるＣｒ以外の元素をとしては、例えばＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または二種以上の元素を挙げることができる。Ｖが存在する場合、Ｖの存在量は、好ましくは０．１〜２０原子％、特に好ましくは１０〜１５原子％、である。Ｔａが存在する場合、Ｔａ存在量は、好ましくは０．１〜２原子％、特に好ましくは０．５〜１．５原子％、である。Ｎｂ存在する場合、Ｎｂの存在量は、好ましくは０．１〜１５原子％、特に好ましくは３〜８原子％、である。Ｍｏが存在する場合、Ｍｏの存在量は、好ましくは０．１〜２原子％、特に好ましくは０．５〜１．５原子％、である。

なお、この表層部２００が、複合材料２０に由来するものである場合（例えば、表層部２００が複合材料２０から形成されたものである場合（詳細後記））、表層部２００中に存在する元素（Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ）の種類および存在量は、多くの場合、複合材料２０中に存在する元素の種類および存在量と相関する。

＜真空バルブ用接点材料の製造方法＞
本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料の製造方法は、Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって表面が覆われて被覆されてなる真空バルブ用接点材料を製造する方法であって、
前記の過飽和固溶体を、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒの両者を固化させることによって形成すること、を特徴とする。

上記の本発明による真空バルブ用接点材料の製造方法は、好ましい態様（イ）として、前記の過飽和固溶体を、Ｃｕを含有するマトリクス相３５〜７５原子％と、Ｃｒを含有する分散相２５〜６５原子％とからなる複合材料から発生させた、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒの両者を凝固させることによって形成するもの、を包含する。

この本発明による真空バルブ用接点材料の製造方法は、好ましい態様（ロ）として、前記の過飽和固溶体を、前記の複合材料を電極とするアーク放電によって、前記の複合材料から生成させたプラズマ中の物質を凝固させることにより形成するもの、を包含する。なお、プラズマは電離した気体と捉え、プラズマ状態にある金属は気相状態と扱うこととする。

この本発明による真空バルブ用接点材料の製造方法は、さらに好ましい態様（ハ）として、前記の過飽和固溶体を、極性を変えて実施された複数回のアーク放電によって生成されたプラズマ中の物質からの凝固物の累積によって形成するもの、を包含する。

この本発明による真空バルブ用接点材料の製造方法は、とりわけ好ましい態様（ニ）として、前記の複合材料が、その表面を液相状態になるまで加熱した後、冷却することによって、前記複合材料の表層部に平均粒径または平均幅が０．０１〜１．０μｍの微細化された分散相を生成させたものもの、を包含する。

本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料の製造方法では、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒを生成させ、両者を、液相状態を経ることなく急速に固相へと相変化させることによって形成することができる。好ましくは、例えば真空蒸着や、スパッタリング、イオンプレーティング、の物理蒸着法等の方法によって過飽和固溶体の形成を行うことができる。

この過飽和固溶体は、Ｃｕ原子とＣｒ原子が相互の平衡溶解度を大幅に超えて共存する過飽和固溶体であって、特にこの過飽和固溶体が体心立方構造を有している場合においては、極めて高い仕事関数を有していることから、優れた耐電圧性能を付与できるものである。

上記の真空バルブ用接点材料の製造方法は、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒが、好ましくは、例えば、図１および図２に示される、「Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料２０」、さらに好ましくは「Ｃｕを含有するマトリクス相３５〜７５原子％と、Ｃｒを含有する分散相２５〜６５原子％とからなる複合材料２０」、とりわけ好ましくは「前記の分散相が、その平均粒径または平均幅が０．１〜１．０μｍである複合材料２００」、に由来するものである方法を挙げることができる。

上記の真空バルブ用接点材料の製造方法（好ましい態様（ロ）および（ハ））において、「アーク放電」とは、大電流を通電している１対の接点極を開離することによって接点間に発生する放電を意味し、「プラズマ」とは、接点間に存在する物質または接点から放出された物質の一部が電離することによって形成される物質の存在状態を意味し、「凝固」とは、前記プラズマ中に接点から放出された物質の一部が液体状態を経由することなく固化することを意味する。

上記の真空バルブ用接点材料の製造方法（好ましい態様（ロ））によれば、例えば図１に示される「過飽和固溶体３」を表面に有する「真空バルブ用接点材料１」を、「主としてＣｕからなるマトリクス相２０と、主としてＣｒからなる分散相２１とからなる複合材料２０」を、この複合材料２０を電極とするアーク放電によって前記の複合材料２０から生成させたプラズマ中の物質を凝固させることにより、前記の「複合材料２０の表面」（なお、複合材料２０は、その少なくとも一部がアーク放電によって蒸発ないし飛散して、複合材料２０の体積はアーク放電に付す前よりも減少している）に、「Ｃｕを主成分とし、少なくともＣｒを過飽和に固溶している過飽和固溶体３」を形成することによって製造することができる。

この真空バルブ用接点材料の製造方法（好ましい態様（ロ））においては、「前記の過飽和固溶体３を、複合材料２０を電極とするアーク放電によって前記の複合材料２０から生成させたプラズマ中の物質を凝固させること」が行われる。これは、複合材料２０を片方の電極とし、これと他の対向電極とを、気相中（好ましくは不活性ガス中あるいは真空中）に配置して、両電極との間に電圧を印加し、両電極間に発生したアーク放電によって生じたプラズマ（即ち、アークプラズマ）中の物質を、凝固させることにより、「複合材料２０の表面」に「過飽和固溶体３」を形成することができる。

好ましくは、具体的には、図５に示されるような、真空容器Ａの内部に収容された固定電極Ｂに複合材料２０を設置し、同じく真空容器Ａの内部に収容された可動電極Ｃに複合材料２０’を設置し、真空雰囲気中で、固定電極Ｂと可動電極Ｃとの間に電圧を印加し、両電極間に発生したアーク放電によって生じたプラズマ（即ち、アークプラズマ）中の物質（具体的には、複合材料２０、２０’中のＣｕならびにＣｒに由来する物質）を、凝固させることにより、「複合材料２０および２０’の表面」に「過飽和固溶体」を形成することができる。

アーク放電およびプラズマの発生条件、ならびにアークマプラズマ中の物質を凝固させる条件は、好ましくは、交流５０Ｈｚの５００〜１００００Ａの電流を遮断することである。

この真空バルブ用接点材料の製造方法（好ましい態様（ハ））においては、「前記の過飽和固溶体３を、極性を変えて実施された複数回のアーク放電によって生成されたプラズマ中の物質からの凝固物の累積によって形成すること」が行われる。このような好ましい態様によれば、例えば図５に示されるように、両極上に設置されたそれそれの複合材料２０、２０’の上に、均等な厚さの「過飽和固溶体」を形成することが容易になる。

上記の真空バルブ用接点材料の製造方法（好ましい態様（ニ））によれば、例えば図２に示される「過飽和固溶体３」を表面に有する「真空バルブ用接点材料１」を、「Ｃｕからなるマトリクス相２１と、Ｃｒからなる分散相２２とからなる複合材料２０」を、その表面部が液相状態になるまで加熱した後、冷却することによって、前記の「複合材料２０の表層部２００に、平均粒径または平均幅が０．０１〜１．０μｍの微細化された分散相２０２を生成させ、その後、この複合材料２０を電極とするアーク放電によって前記の複合材料２０（特に表層部２００）から生成させたプラズマ中の物質を凝固させることにより、前記の「複合材料２０（特に表層部２００）」の表面に、上記の特定の「過飽和固溶体３」を形成することによって、容易に製造することができる。

平均粒径または平均幅が０．０１〜１．０μｍの微細化された分散相２０１は、複合材料２０の表面部を、アーク溶解、真空溶解といった急冷凝固や電子ビーム、レーザー照射といった液相領域まで急熱かつ急冷することによって行うことが好ましい。特に好ましくは、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気中で、複合材料２０の表面および表面から５〜１００μｍ程度の深さまでの領域を、最高到達温度１６００〜２０００℃までに、加熱速度１０００〜２０００℃／秒で加熱した後に、冷極速度５００℃／秒以上で急速冷却することによって、複合材料２０の表層部２００における分散相２０１の平均粒径または平均幅が０．０１〜１．０μｍに微細化することが好ましい。

この真空バルブ用接点材料の製造方法（ニ）でも、前記（ロ）の製造方法と同様に、前記の過飽和固溶体を、極性を変えて実施された複数回のアーク放電によって生成されたプラズマ中の物質からの凝固物の累積によって形成する方法を、好ましい態様として包含する。このような好ましい態様によれば、両極上に設置されたそれそれの複合材料２０、２０’の上に、均等な厚さの「過飽和固溶体」を形成することが容易になる。

アーク放電およびプラズマの発生条件、ならびにアークマプラズマ中の物質を凝集させる条件は、好ましくは、交流５０Ｈｚの１００〜２０００Ａの電流を遮断することである。

＜真空バルブ用接点および真空バルブ＞
本発明の実施形態による真空バルブ用接点は、Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体を、接点の極表面に有すること、を特徴とするものである。

また、発明の実施形態による真空バルブは、上記の「真空バルブ用接点」を具備すること、を特徴とするものである。

このような本発明の実施形態による真空バルブ用接点ならびに真空バルブの好ましい具体例としては、例えば図５に示される過飽和固溶体の形成に利用した真空容器において、その「複合材料２０および２０’の表面」に「過飽和固溶体」を具備する真空バルブ用接点、および、そのような真空バルブ用接点を搭載した真空バルブを挙げることができる。

すなわち、本発明の好ましい実施形態によれば、目的とする真空バルブが得られるような、例えば図５に示されるような「複合材料２０および２０’」を配設した電極を組み込んだ真空容器Ａを用意し、この複合材料を電極とするアーク放電によって前記の複合材料から生成させたプラズマ中の物質を、凝固させることにより、所定の過飽和固溶体を形成することによって、目的とする真空バルブ用接点ならびに真空バルブを得ることができる。

図５は、本発明の実施形態による真空バルブの好ましい具体例を示すものである。図５に示される真空バルブＡは、「Ｃｕを主成分とし、少なくともＣｒを過飽和に固溶している過飽和固溶体」（図示せず）が「複合材料２０および２０’」の表面に形成されてなる「真空バルブ用接点Ｂ、Ｃ」と、「アークシールドＤ」と、「アークシールドＥ」と、「ベローズＦ」とを具備してなるものである。

（接点材料の製造工程）
下記の各実施例および各比較例において、Ｃｕ−Ｃｒ合金の製造方法については、一般に焼結法、溶浸法、真空溶解法、アークメルト法などが知られており、いずれの方法によって製造しても素材は二相組織を有しており、Ｃｒ相の幅または粒径は焼結法や溶浸法では数百μｍのオーダーであり、真空溶解法やアークメルト法では数十μｍのオーダーである。この素材を用いて作製した接点から発生するアークプラズマで過飽和固溶相を形成する場合、アークプラズマの発生源である陰極点が熱的に影響を及ぼす領域が直径数十〜数百μｍ程度のオーダーであることから、均質な組成の表面層を形成するには、より微細な二相組織を下地としていることが望ましい。そこで、下地の素材は真空溶解法により製造したＣｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ合金を使用した。さらに均質な表面層を形成するには、アーク溶解、真空溶解といった急冷凝固や電子ビーム、レーザー照射といった液相領域まで急熱急冷することにより、より微細な二相組織を形成しておくことがより望ましい。そこで、真空溶解によって作製した素材を所定の接点形状に加工した後、場合によっては表面に電子ビームを照射して急熱、急冷を行い、二相組織をより微細化し、Ｃｒ相の幅または粒径を０．１μｍ以下とした。このような状態とした後、接点を真空バルブに組み込み、交流５０Ｈｚ−１ｋＡ半波のアーク放電を繰り返し印加することによって、発生したアークプラズマから凝固した過飽和Ｃｕ−Ｃｒ相の表面層を形成した。凝固は、主として陰極側に生じるため、アーク放電の印加は極性を変えながら行った。形成した凝固層の結晶構造は、極表面近傍の断面の透過電子顕微鏡観察と電子線回折パターンに基づく結晶方位解析で調べ、体心立方格子であることを確認した。

（耐電圧性能評価）
真空バルブに接点を組み込んだ状態で接点間のギャップを３ｍｍとしてインパルス電源から電圧を印加し、絶縁破壊電圧を測定した。

＜実施例１〜２および比較例１〜２＞
真空溶解Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ材の下地（分散相の平均粒径が２０μｍ）の表面に、同じ組成の過飽和Ｃｕ−Ｃｒ相をアーク放電によって形成した接点材料を実施例１として、および真空溶解Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ材の下地表面に電子ビームを照射し、下地より微細な２相組織（分散相の平均粒径が０．１μｍ）を表面に形成した上から、さらに最表面層として過飽和固溶体層をアーク放電によって形成した接点材料を実施例２として、それぞれ作製した。過飽和固溶体層の厚さは、０．２μｍ（実施例１）、０．３μｍ（実施例２）であった。

実施例１および２のそれぞれの接点材料について、極表面近傍の断面の透過電子顕微鏡観察と電子線回折パターンに基づく結晶方位解析で調べ、体心立方格子であることを確認した。

比較のため、真空溶解Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ材を加工後そのまま使用した比較例１およびこれに電子ビーム照射して表面に２相組織を形成した比較例２とを併せて評価した。

その結果、絶縁破壊電圧は、比較例１を１．０とした場合、比較例２では１．２であるのに対し、実施例１では１．７、実施例２では１．９まで到達した。

＜実施例３〜４および比較例３〜４＞
真空溶解で作製したＣｕ−２１ｗｔ％Ｃｒ−１１ｗｔ％Ｖ材についても、実施例１と同様にＣｕ−Ｃｒ−Ｖ過飽和固溶体層（厚さ０．２μｍ）を有する接点材料（実施例３）を作製した。

また、真空溶解で作製したＣｕ−２１ｗｔ％Ｃｒ−１１ｗｔ％Ｖ材についても、実施例２と同様にＣｕ−Ｃｒ−Ｖ過飽和固溶体層相（厚さ０．２μｍ）を有する接点材料（実施例４）を作製した。

実施例３および４での真空溶解したＣｕ−２１ｗｔ％Ｃｒ−１１ｗｔ％Ｖ材は、ＣｕにわずかにＣｒ，Ｖが固溶した相とＣｒ−Ｖ固溶体にわずかにＣｕが含まれる相の２相組織を形成する。

一方、真空溶解で作製したＣｕ−２１ｗｔ％Ｃｒ−１１ｗｔ％Ｖ材をそのまま使用した比較例１、および真空溶解で作製したＣｕ−２１ｗｔ％Ｃｒ−１１ｗｔ％Ｖ材に実施例２と同様に電子ビーム照射して同じ構成でより微細な２相組織を表面に形成した比較例２とを併せて評価した。

その結果、絶縁破壊電圧は、比較例３を１．０とした場合、比較例４では１．２であるのに対し、実施例３では１．６、実施例４では１．８まで到達した。

＜実施例５〜６および比較例５＞
アークプラズマ中の物質の凝固は、陰極側と陽極側で異なるため、極性を反転させて均等に過飽和固溶体を形成することがより望ましい。本実施例のように、１ｋＡ程度の電流でアークプラズマを発生させた場合では、主として陰極側に凝固による過飽和固溶体の形成が見られる。

実施例５は、真空溶解Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ材の下地表面に電子ビームを照射し、プラズマ発生時に極性を固定して、主に陰極側に過飽和固溶体を形成した真空バルブである。

一方、実施例６は真空溶解Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ材の下地表面に電子ビームを照射し、極性を反転させながら繰り返しプラズマを発生させ、両側の接点に均等に過飽和固溶体を形成した真空バルブである。

これらを過飽和固溶体を形成していな真空溶解Ｃｕ−３５ｗｔ％Ｃｒ材を搭載した真空バルブ（比較例５）と併せて評価した。

その結果、比較例５を１．０とした場合の絶縁破壊電圧は、実施例５では１．６、実施例６では１．８となった。

上述の実施例１および２では、真空バルブ内においてアーク放電プラズマから過飽和固溶体を凝固させたが、Ｃｕ−Ｃｒ合金をターゲットとして用い、スパッタリングにより過飽和固溶体を形成することも可能である。

以上のように、本発明の実施形態による真空バルブ用接点材料は、スピン状態を制御し仕事関数を高めた体心立方格子の過飽和固溶体の最表面層としていることにより、優れた耐電圧性能を発揮することができ、高耐電圧領域で使用される真空バルブの接点材料に適している。

１ 真空バルブ用接点材料
３ 過飽和固溶体
２０ 複合材料
２１ マトリクス相
２２ 分散相
２００ 複合材料２０の表層部
２０１ マトリクス相
２０２ 微細化された分散相
Ａ 真空容器
Ｂ 固定電極
Ｃ 可動電極
Ｄ アークシールド
Ｅ アークシールド
Ｆ ベローズ

Claims (13)

1. Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって、覆われてなることを特徴とする、真空バルブ用接点材料。
2. 前記の過飽和固溶体が、さらにＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または二種以上の元素を含んでなる、請求項１に記載の真空バルブ用接点材料。
3. 前記の過飽和固溶体によって、Ｃｕ相およびＣｒ相を含んでなる複合材料の表面が覆われてなる、請求項１または２に記載の真空バルブ用接点材料。
4. 前記の複合材料が、Ｃｕを含有するマトリクス相３５〜７５原子％と、Ｃｒを含有する分散相２５〜６５原子％とからなるものである、請求項３に記載の真空バルブ用接点材料。
5. 前記の分散相は、その平均粒径または平均幅が０．０１〜１．０μｍである、請求項４に記載の真空バルブ用接点材料。
6. 前記の複合材料が、さらにＶ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏから選ばれた一種または二種以上の元素を含んでなる、請求項３〜５のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料。
7. Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体によって表面が覆われて被覆されてなる真空バルブ用接点材料を製造する方法であって、
   前記の過飽和固溶体を、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒの両者を凝固させることによって形成することを特徴とする、真空バルブ用接点材料の製造方法。
8. 前記の過飽和固溶体を、Ｃｕを含有するマトリクス相３５〜７５原子％と、Ｃｒを含有する分散相２５〜６５原子％とからなる複合材料から発生させた、気相状態のＣｕおよび気相状態のＣｒの両者を凝固させることによって形成する、請求項７に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
9. 前記の過飽和固溶体を、前記の複合材料を電極とするアーク放電によって、前記の複合材料から生成させたプラズマ中の物質を凝集させることにより形成する、請求項８に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
10. 前記の過飽和固溶体を、極性を変えて実施された複数回のアーク放電によって生成されたプラズマ中の物質からの凝集物の累積によって形成する、請求項９に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
11. 前記の複合材料が、その表面を液相状態になるまで加熱した後、冷却することによって、前記複合材料の表層部に平均粒径または平均幅が０．０１〜１．０μｍの微細化された分散相を生成させたものである、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の真空バルブ用接点材料の製造方法。
12. Ｃｒを２５〜６５原子％含有し少なくともＣｕを過飽和に固溶してなる、体心立方構造を有する過飽和固溶体を、接点の極表面に有することを特徴とする、真空バルブ用接点。
13. 請求項１２に記載の真空バルブ用接点を具備することを特徴とする、真空バルブ。

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